程憶佳，王俊峰

（北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室， 北京100044）

中國列車運行控制系統(tǒng)CTCS（Chinese Train Control System）根據(jù)功能要求和設備配置劃分為0～4級5個應用等級。其中，CTCS-2級列控系統(tǒng)是CTCS-3級列控系統(tǒng)的后備系統(tǒng)。

CTCS-3級列控系統(tǒng)的運營場景有調車作業(yè)、等級轉換、RBC切換等。本文以研究等級轉換和降級場景為例，進行建模并提出分析高速鐵路列車控制數(shù)據(jù)（簡稱列控數(shù)據(jù)）完備性的方法。

1 列控數(shù)據(jù)完備性的定義

列行車許可狀態(tài)信息、降級狀態(tài)等。（3）RBC與車載GSM-R無線模塊之間：進路描述信息、移動授權、緊急制動、列車位置、注冊與注銷信息等。

CTCS-3級列控系統(tǒng)的設備控制機理是圍繞著列控數(shù)據(jù)的產生、傳輸和執(zhí)行進行的。因此，列控數(shù)據(jù)是列車運行控制的基礎，其完備性直接關系到列車運行的安全。本文主要考慮列控數(shù)據(jù)完備性中的實時性、兼容性及完整性3個方面。列控數(shù)據(jù)的實時性在建模中體現(xiàn)，兼容性在場景描述中體現(xiàn)，完整性由建模后模型完成的成功率體現(xiàn)。

2 列控數(shù)據(jù)完備性的建模

采用隨機Petri網對場景進行建模的優(yōu)點是對并行、分布系統(tǒng)易于描述，適合子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)及狀態(tài)變換較多的情況；同時它在變遷的實施中加有

（1）RBC與CTC之間：時間同步信息、登錄信息、列車狀態(tài)、RBC工作狀態(tài)、報警信息等。（2）RBC與聯(lián)鎖之間：列車位置信息、列車速度信息、時延，這個特性使其能精確地描述系統(tǒng)的實時性。

2.1 模型的定義

一個Petri網的結構元素包括：位置、變遷和弧。位置：描述系統(tǒng)的局部狀態(tài)，包含標記，標記在位置中的變化表示系統(tǒng)處于不同的狀態(tài)。變遷：描述修改系統(tǒng)狀態(tài)的事件?；。阂鍪录軌虬l(fā)生的局部狀態(tài)和由事件引發(fā)的局部狀態(tài)的改變。

隨機Petri網變遷的實施過程為：在變遷的輸入位置清除一個標記；變遷實施的延時中保持輸入位置清除同時不在變遷的輸出位置產生標記狀態(tài)；最后在變遷經過規(guī)定的延時后，在輸出位置產生一個標記。

2.2 模型的結構

為了避免隨機Petri網對復雜系統(tǒng)的描述時可能會導致狀態(tài)空間爆炸問題，本文應用層次模型和分層分析方法建立模型。

將場景的建模設計為上層模型，消息傳輸模型設計成底層模型，采用自上而下的方式建立列控數(shù)據(jù)完備性模型。在設計上層模型時只考慮各子系統(tǒng)之間的交互，使得模型具有良好的層次結構，建模結構如圖1。

圖1 模型結構圖

3 實例分析

3.1 頂層模型

本文研究的場景主要涉及RBC與車載設備間的數(shù)據(jù)交互。在建立頂層模型時，對各場景分別分析RBC和車載的行為。在隨機Petri網圖形表示中，位置用圓圈表示，一般時間變遷用扁長方形表示，瞬時變遷用線段表示，標記在位置中用黑點表示。

3.1.1 設備正常情況下等級切換

（1）CTCS-2級進入CTCS-3級控車

列車在CTCS-2級進入CTCS-3級控車時，車載設備的無線電臺建立與GSM-R的通信。車載設備接收到RBC建立連接的命令后與RBC建立聯(lián)系。RBC向列控車載設備發(fā)送位置報告參數(shù)和行車許可請求參數(shù)；車載設備向RBC報告列車位置和當前等級及模式信息。當列車前端通過等級轉換預告應答器組時，車載設備向RBC報告列車位置；同時RBC向車載設備提供行車許可及等級轉換命令。在列車通過CTCS-2級/CTCS-3級邊界時，車載設備自動轉為CTCS-3級控車。

RBC行為模型如圖2。

圖2 RBC行為模型

位置“idle”表示RBC處于空閑狀態(tài)。“keep”表示RBC和車載保持通信聯(lián)系?！癕58+57”是位置報告參數(shù)和行車許可請求信息?！癕24+44”是指RBC對結束任務消息的確認信息?！癕3”是配置參數(shù)信息?！癝”表示RBC向車載發(fā)送信息。“sure”是RBC確認列車所處進路?！癕41”是行車許可及等級切換命令。變遷“delay”表示組包延時。R0：車載注冊到GSM-R后，呼叫RBC成功。R2、R4、R8：收到車載發(fā)送的確認信息。R3：收到車載發(fā)送的列車位置、當前等級。R5：收到車載報告的進路位置。R6/ R7：車載報告的進路位置無效/有效。R9：列車走到轉換點的延時，由列車速度確定。R10：列車向RBC請求行車許可。

車載行為模型如圖3。

圖3 車載行為模型

位置“C2”、“C3”分別表示列車按CTCS-2級、CTCS-3級控車?！皐ait”表示列車保持與GSM-R連接?！癕1”指車載呼叫RBC?！癕2”指與RBC通信結束確認信息包。“S”指車載向RBC發(fā)送消息?！癕3”指參照于LRBG的列車位置和當前等級及模式信息。“M4”是列車所處的進路位置?！癕5”是車載向RBC請求行車許可。變遷R1：與GSMR連接注冊。R2：通過RBC連接應答器組。R3 /R4：與RBC呼叫不成功/成功。R5：收到RBC位置報告參數(shù)和行車許可請求。R6、R8：收到RBC確認信息。R7：通過等級轉換預告應答器組。R9/R10：車載報告位置信息無效/有效。R11：RBC向車載設備提供線路參數(shù)和行車許可。R12：通過等級轉換應答器組。

（2） CTCS-3級進入CTCS-2級控車

列車由CTCS-2級控車進入CTCS-3級控車時，RBC向車載設備發(fā)送等級轉換預告命令。列車前端在越過CTCS-3級/CTCS-2級邊界時車載設備自動轉為CTCS-2級控車。在列車尾部越過CTCS-3級/CTCS-2級邊界后，車載設備向RBC報告列車位置。RBC確認后命令車載設備斷開與RBC的連接并注銷列車注冊信息；車載關閉與RBC的連接。根據(jù)CTCS-3級進入CTCS-2級控車流程， RBC行為模型如圖4。

圖4 RBC行為模型

位置“keep”指正常行車狀態(tài)?！癕41”是等級轉換命令?！癕42”是斷開與車載設備連接命令?！癕39”是與車載通信結束確認信息?！癕24+44”是RBC對結束任務消息的確認信息包?！癝”是RBC向車載發(fā)送消息?！癳nd”指RBC注銷成功。變遷R1、R2、R3：收到車載發(fā)送的確認信息。delay1：收到車載發(fā)送過來的位置信息。

車載行為模型如圖5。

圖5 車載行為模型

位置“C3”指車載設備按CTCS-3級控車?！皐ait1”是等待列車通過CTCS-3級/CTCS-2級邊界?！皐ait2”是收到RBC發(fā)送的斷開與車載設備連接命令。“M136”是列車位置信息。“M156”：列車和RBC終止會晤信息。變遷delay1、2：分別為車載收到RBC發(fā)送的等級切換命令、斷開與車載設備連接命令。R1：列車車載通過等級切換應答器時刻。R2、R3：收到車載發(fā)送的確認信息。

3.1.2 設備故障情況下降級場景

降級情況是指當?shù)孛嬖O備或車載設備故障后，系統(tǒng)從CTCS-3級降級為CTCS-2級控車的場景。本文主要研究RBC故障、車載設備故障和無線通信設備故障。

（1）RBC故障降級模型。當2套RBC設備均停止工作后，CTC檢測到與RBC信息傳輸或故障報警信息，列車中斷與RBC之間的通信連接。列車實施最大常用制動，在速度降到CTCS-2級狀態(tài)后自動轉為CTCS-2級控車。車載設備關閉與RBC的連接，刪除其呼叫信息。本文僅建立車載在RBC故障情況下的模型。車載行為模型如圖6。

圖6 車載行為模型

位置“M1”指列車位置報告信息?！皐ait”是列車按CTCS-3級正常行車。“D5”指列車減速?！癱lose”指車載設備關閉與RBC的通信連接。變遷R1：發(fā)送列車位置報告信息變遷。R2：收到RBC確認信息。R3 、R4：車載與RBC通信超時。R5：列車減速到CTCS-2級系統(tǒng)允許速度時間。

（2）車地通信故障降級模型。車載設備故障的種類較多，本文只考慮涉及GSM-R無線通信設備單元故障情況。車載設備無線通信設備單元故障時，列車實施最大常用制動，在速度降到CTCS-2級規(guī)定速度后自動轉為CTCS-2級控車；車載設備關閉與RBC的連接，刪除RBC的呼叫信息；RBC刪除相關列車的注冊信息。

無線通信設備故障，RBC與列車通信超時后，列車實施最大常用制動，在速度降到CTCS-2級狀態(tài)后自動轉為CTCS-2級控車。車載設備關閉與RBC的通信連接，刪除RBC的呼叫信息。RBC刪除相關列車的注冊信息。GSM-R故障模型如圖7。

圖7 GSM-R故障模型

位置 “L1”指GSM-R突發(fā)降質狀態(tài)。 “L2”是鏈路中斷狀態(tài)?！癓oss”指GSM-R故障狀態(tài)?！癛1”是GSM-R重新連接狀態(tài)。變遷T3、T6：GSMR由正常狀態(tài)到突發(fā)降質狀態(tài)、鏈路中斷狀態(tài)的變遷。T2：GSM-R從鏈路中斷到重新連接的變遷。T1、T4：重新連接成功、失敗。T7、T5：鏈路中斷修復成功、失敗。RBC行為模型如圖8。

圖8 RBC行為模型

位置“check”指檢查位置報告的正確性?！癈1”指計算MA?！癝1”指計算MA時，有緊急停車時觸發(fā)?！癝2”是正常發(fā)送MA?！癉5”指發(fā)送錯誤?！癉elete”是刪除相關列車的注冊信息。變遷T1：收到列車位置報告和最新區(qū)段狀態(tài)信息。T2：檢查位置報告調用函數(shù)的時間。T3：有新的列車覆蓋范圍外的區(qū)段變?yōu)檎加谩4：計算出MA。T5、T6：發(fā)送信息。T8：未收到列車發(fā)送消息一直到延時。T9：信息中斷時間。

3.2 底層模型

（1）RBC消息發(fā)送流程。周期開始后，讀取消息接收堆棧，若有已被確認的消息，從重發(fā)數(shù)據(jù)庫中刪除該消息。重發(fā)數(shù)據(jù)庫中若有未確認的消息，判定其是否已達到重發(fā)的最大次數(shù)。如已達到，轉入錯誤處理流程，如未達到，將需要重發(fā)的消息寫入輸出堆棧。最后對重發(fā)數(shù)據(jù)庫中的消息進行重發(fā)計數(shù)并發(fā)送數(shù)據(jù)。

（2）車載消息發(fā)送流程。發(fā)送方將數(shù)據(jù)寫入接口模塊的發(fā)送區(qū)，接收區(qū)讀取后到接收緩存區(qū)。接收方數(shù)據(jù)更新成功，向接口模塊反饋區(qū)發(fā)送“發(fā)送成功”反饋信息。發(fā)送方從接口模塊反饋區(qū)讀取反饋信息，準備下一個數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)更新失敗，則不發(fā)送。如果反饋區(qū)在一定時間內未收到接收方的反饋信息，認為發(fā)送失敗，轉向故障態(tài)。

3.3 列控數(shù)據(jù)完備性分析

（1）列控數(shù)據(jù)實時性分析。用隨機Petri網的分析軟件得到RBC和車載2種發(fā)送消息模型的平均延時。建立出有不同列車數(shù)量和不同系統(tǒng)周期為參數(shù)的消息模型的平均延時。在系統(tǒng)周期不變的情況下，列車數(shù)量和系統(tǒng)延時時間的關系以及在列車數(shù)量不變的情況下，系統(tǒng)平均延時時間與系統(tǒng)周期間的關系。分析這些延時對列車運行安全性的影響，從而可得出系統(tǒng)接受列車注冊的數(shù)量和系統(tǒng)周期的最佳值范圍。

（2）列控數(shù)據(jù)兼容性和完整性分析。列控數(shù)據(jù)兼容性和完整性是基于CTCS-3級列控系統(tǒng)等級切換及設備故障降級模型。將頂層模型和底層模型結合，設置標記的數(shù)量、瞬時變遷、延時變遷等參數(shù)，在隨機Petri網分析軟件上得出列車在不同速度參數(shù)和不同系統(tǒng)周期參數(shù)，模型完成的成功率。從而得出模型完成的成功率與列車速度之間的關系以及系統(tǒng)周期與模型完成的成功率的關系。這樣就可以說明能保證列控數(shù)據(jù)的兼容性和完整性良好的列車速度范圍和系統(tǒng)周期時間的范圍。

4 結束語

本文提出了一種分析列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)完備性的建模方法，其核心是以隨機Petri網理論為基礎，采用層次模型和分層分析方法來建立列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)完備性模型。采用該方法使在建立上層模型時只用考慮列控子系統(tǒng)間的信息交互，使模型具有更好的層次結構，同時也能更準確地描述各子系統(tǒng)間的行為。最后通過對等級切換和設備故障降級場景中列控數(shù)據(jù)完備性建模，說明了方法的有效性。列控數(shù)據(jù)完備性分析方案，對于分析列車運行安全問題有著積極的作用。

[1] 王化深，王俊峰. 200-350 km/h列車運行控制系統(tǒng)關鍵技術研究[J] . 鐵道學報，2009，31（3）：107-110.

[2] 郭麗娜，王俊峰. CTCS-2級與CTCS-3級列控系統(tǒng)兼容性仿真研究[J] . 鐵路計算機應用，2010，19（5）：48-50.